鋁合金型材空腔填充聚氨酯泡沫和聚乙烯海綿對節(jié)點傳熱系數(shù)的影響

孟凡東，黃丹娜，朱世安，余琳玲

（1.廣東貝克洛幕墻門窗系統(tǒng)有限公司，廣東 清遠 511500；2.廣東豪美鋁業(yè)股份有限公司，廣東 清遠 511500）

建筑門窗是建筑外圍護結(jié)構(gòu)的重要組成部分，是建筑熱交換和熱傳導最活躍、最敏感的部分，其能耗是墻體的5～6倍，占建筑物全部熱損失的40%以上[1]。近年來，對提高建筑用鋁合金型材隔熱性能的研究主要針對多腔及多種材料復合型材[2-3]。目前，穿條式隔熱型材的市場占有率較大，這種型材中間為空腔，其隔熱性能有較大的改善空間。本文對鋁合金型材節(jié)點的不同空腔部分填充聚氨酯泡沫、聚乙烯海綿等材料，分析模擬各種填充材料對型材節(jié)點傳熱系數(shù)（K值）的影響，論述減小型材節(jié)點K值的方法。

1 條件設(shè)定

在框計算截面中，應用1塊導熱系數(shù)λ=0.03 W/（m·K）的板材替代實際的玻璃，板材的厚度等于所替代面板的厚度，嵌入框的深度按照面板嵌入的實際尺寸，可見部分的板材寬度bp不應小于200 mm（見圖1）[4]。材料條件及環(huán)境條件見表1。

圖1 框計算節(jié)點示意

表1 材料條件及環(huán)境條件

2 隔熱條對框節(jié)點K值的影響分析

取常見斷橋鋁合金型材節(jié)點如圖2所示，插入玻璃厚度為22 mm，隔熱條長度為L，節(jié)點厚度為D，在仿真模擬過程中，L 分別取 18、22、26、30、34、38、42 mm 進行模擬計算，L初始值取18 mm時，D取53 mm，隨著L的遞增，D也隨之遞增。

圖2 斷橋鋁合金型材節(jié)點

（1）計算模型①如圖3所示，型材中間空腔位置無填充材料，此模型的計算數(shù)據(jù)作為其他模型的對比基礎(chǔ)。

圖3 計算模型①示意

（2）計算模型②如圖4所示，在玻璃與型材中間的空腔位置增加齒形聚乙烯海綿，由于空腔高度的原因，海綿高度為9 mm，與型材內(nèi)壁距離為2 mm。

圖4 計算模型②示意

（3）計算模型③如圖5所示，在隔熱條中間空腔位置增加聚乙烯海綿，隔熱條中間空腔高度為14.5 mm，海綿高度為11.5 mm；海綿與隔熱條邊緣距離為6.5 mm。

圖5 計算模型③示意

（4）計算模型④如圖6所示，在玻璃與型材空腔位置、隔熱條中間空腔位置同時增加聚乙烯海綿進行模擬計算。

圖6 計算模型④示意

（5）計算模型⑤如圖7所示，在隔熱條之間的空腔位置完全填充聚氨酯泡沫。

圖7 計算模型⑤示意

（6）計算模型⑥如圖8所示，在隔熱條之間的空腔位置完全填充聚氨酯泡沫同時玻璃與型材間的空腔位置增加聚乙烯海綿。

圖8 計算模型⑥示意

3 模擬分析

對以上6個模型采用Therm軟件進行模擬分析，分別計算其節(jié)點對應的K值，如表2所示。取隔熱條長度L為30 mm，型材節(jié)點厚度D為65 mm的節(jié)點溫度云圖見圖9。

表2 各個模型的型材節(jié)點K值

圖9 各計算模型的溫度云圖對比

從表2及圖9可見：

（1）在玻璃與型材中間的空腔位置增加齒形聚乙烯海綿的模型②節(jié)點對比無任何填充的模型①節(jié)點K值降低了，當隔熱條長度為18 mm時，模型②節(jié)點比模型①節(jié)點的K值降低了6.6%；當隔熱條長度為42 mm時，模型②節(jié)點比模型①節(jié)點的K值降低了13.5%。隔熱條越長，節(jié)能效果越明顯，這是因為隨著隔熱條長度的增加，玻璃與型材中間的空腔越大，空氣對流越大，齒形聚乙烯海綿的阻止空氣對流的效果越明顯。

（2）模型③節(jié)點對比無任何填充的模型①節(jié)點的K值降低了，當隔熱條長度為18 mm時，模型③節(jié)點比模型①節(jié)點的K值降低了4.7%；當隔熱條長度為42 mm時，模型③節(jié)點比模型①節(jié)點的K值降低了18.1%。在隔熱條中間的空腔增加聚乙烯海綿，隔熱條越長，節(jié)能效果越明顯。

（3）模型④節(jié)點對比無任何填充的模型①節(jié)點的K值降低了，當隔熱條長度為18 mm時，模型④節(jié)點比模型①節(jié)點的K值降低了13.6%；當隔熱條長度為42 mm時，模型④節(jié)點比模型①節(jié)點的K值降低了36.0%。在玻璃與型材空腔位置、隔熱條中間空腔位置同時增加聚乙烯海綿，隔熱條越長，節(jié)能效果越明顯。

（4）模型⑤節(jié)點對比無任何填充的模型①節(jié)點的K值降低了，當隔熱條長度為18 mm時，模型⑤節(jié)點比模型①節(jié)點的K值降低了8.9%；當隔熱條長度為42 mm時，模型⑤節(jié)點比模型①節(jié)點的K值降低了21.1%。在隔熱條之間的空腔位置完全填充聚氨酯泡沫，聚氨酯泡沫的導熱系數(shù)低至0.028 W/（m·K），隔熱條中間完全無空氣對流，僅有熱傳遞，隔熱條越長，節(jié)能效果越明顯。

（5）模型⑥節(jié)點對比無任何填充的模型①節(jié)點的K值降低了，當隔熱條長度為18 mm時，模型⑥節(jié)點比模型①節(jié)點的K值降低了19.3%；當隔熱條長度為42 mm時，節(jié)點⑥比節(jié)點①的K值降低了39.4%左右。在隔熱條之間的空腔位置完全填充聚氨酯泡沫同時玻璃與型材間的空腔位置增加聚乙烯海綿，隔熱條越長，節(jié)能效果越明顯，這是因為模型⑥不僅使隔熱條中間完全無空氣對流，低導熱系數(shù)的聚氨酯泡沫使熱傳遞也很低，同時玻璃與型材之間的空氣位置也由于聚乙烯海綿阻止了氣體對流，使整個型材的K值大幅度減小，明顯提高了節(jié)能效果。

各計算模型型材節(jié)點K值下降率見圖10。

圖10 各計算模型型材節(jié)點K值下降率

由圖10可知，隔熱條中間填充聚乙烯海綿的模型③與隔熱條中間填充聚氨酯泡沫的模型⑤相比，模型⑤節(jié)點的K值更低，在隔熱條長度為22 mm時，模型③的型材節(jié)點K值為2.3515 W/（m2·K），隔熱條中間填充聚氨酯泡沫的模型⑤的型材節(jié)點K值為2.2654 W/（m2·K），兩者相差0.086 W/（m2·K）。

4 結(jié)論

采用Therm軟件進行熱工模擬，模型②、③、④、⑤、⑥相對型材空腔不填充任何材料的模型①都能降低鋁合金型材節(jié)點的K值；同時，隔熱條的長度越長，模型②、③、④、⑤、⑥的節(jié)能效果越明顯。對比模型②、③、④、⑤、⑥，模型④及⑥的節(jié)能效果更加明顯，其中，節(jié)能效果最好的是模型⑥，當隔熱條長度為42 mm時，型材節(jié)點的K值可下降39.4%，大大提高了鋁合金型材節(jié)點的節(jié)能效果。隔熱條中間加聚乙烯海綿的模型③與隔熱條中間填充聚氨酯泡沫的模型⑤相比，模型⑤節(jié)點的K值更低，節(jié)能效果更好，可根據(jù)這兩者的成本及節(jié)能效果進行對比選擇性價比更好的方案。

[1] 陶永鐸，楊珍寶.鋁合金隔熱系列保溫節(jié)能門窗的技術(shù)特點[J].輕合金加工技術(shù)，2001，29（11）：42-43.

[2] 馮偉剛.鋁型復合型材結(jié)構(gòu)設(shè)計探討[J].門窗，2008（12）：31-34

[3] 王喜斌，趙會娟.節(jié)能門窗的開發(fā)和應用研究[J].節(jié)能，2006（1）：47-50.

[4]JGJ/T 151—2008，建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規(guī)程[S].